（控制理论与控制工程专业论文）电除尘高压电源控制系统的研究.pdf

辽宁科技大学硕士论文 摘要 摘要 电除尘器作为一种广泛应用于水泥、电力、冶金、建材等行业的环保装置， 投入工业以来为大气污染的治理和生态环境的保护做出了重要的贡献。随着人们 的环保意识日益加强，以及国家对环保排放标准的严格要求，需要进一步提高电 除尘器的性能、降低粉尘排放浓度。因此，研究开发电除尘供电控制系统对于提 高电除尘器的除尘效率具有重要意义。 本课题的主要工作是开发以微机控制器为核心的高压供电控制系统，其设计 不仅适用于电除尘器高压电源控制系统的改造，也适用于不同行业和工况的电除 尘控制系统上。论文简述了电除尘器的组成和静电除尘的基本工作原理，讨论了 供电系统的电气参数、火花放电与除尘效率的关系，分析了供电控制系统设计中 的技术难点以及关键点。本文提出了针对电场复杂工况的多种有效控制模式，完 成了高压供电控制硬件系统和软件系统的设计，详细叙述了在设计与调试中应该 注意的问题和具体的解决方法。高压供电控制系统不仅具有常规的控制方式与检 测功能，还能够自动跟踪最高运行电压，特别工况复杂多变，控制精度要求高的 场合，微机控制器通过精确的火花控制，显著地提高电除尘器的电晕功率。此外， 系统还对电场短路、电场开路、偏励磁等故障设计了完善的保护功能。论文的另 外一个重要组成部分是大量的现场实验，在实验中不仅验证了电除尘方案可行性， 而且使我对电除尘的工艺有了更深入的了解。 关键词：电除尘器火花控制供电系统除尘效率电场实验 辽宁科技大学硕士论文 a b s t r a e t a b s t r a c t t h ee l e c t r o s t a t i cp r e c i p i t a t o ri se x t e n s i v e l yak i n do fe n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n d e v i c ew h i c hi sa p p l i e di np r o f e s s i o n s ，s u c ha sc e m e n t ，e l e c t r i cp o w e r , m e t a l l u r g ya n d b u i l d i n gm a t e r i a l s ，b e s i d e sw h i c h ，t h ed e v o t i o ni si n d u s t r i a lw a st h ep r o t e c t i o no fa i r p o l l u t i o na n de c o s y s t e me n v i r o n m e n tt o m a k ei m p o r t a n tc o n t r i b u t i o n s t r e n g t h e n i n c r e a s i n g l ya l o n gw i t ht h ep e o p l e se n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nc o n s c i o u s n e s s ；f u r t h e r r e q u e s to fn a t i o nt oe n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o ne x h a u s t i o ns t a n d a r d t h e r e f o r e ，u s i n gt h e r e s e a r c ho ft h ep o w e rs u p p l ys y s t e mo fe l e c t r o s t a t i cp r e c i p i t a t o rt oe n h a n c et h ed u s t e f f i c i e n c yh a si m p o r t a n tm e a n i n g t h i st h e s i sm a i n l yt a k e sm i c r o c o m p u t e ra st h eh i g hv o l t a g ep o w e rs u p p l yo fc o r e t oc o n t r o ls y s t e m i t sd e s i g ni sn o to n l ya p p l i c a b l et oh i 曲v o l t a g ec o n t r o l ss y s t e m s r e f o r m a t i o no f e l e c t r o s t a t i cp r e c i p i t a t o r , b u ta l s ob e i n ga p p l i c a b l et od i f f e r e n tp r o f e s s i o n a n dw o r kc o n d i t i o no ft h i sc o n t r o ls y s t e m t h et h e s i ss u m m a r i z e st h ec o n s t i t u t i o na n d t h eb a s i cp r i n c i p l eo fe l e c t r o s t a t i cp r e c i p i t a t o r , i na d d i t i o nt od i s c u s st h ec o n n e c t i o n b e t w e e nt h ee l e c t r i c i t yp a r a m e t e r , s p a r ka n dd u s te f f i c i e n c yo fh i 曲v o l t a g ep o w e r s u p p l ys y s t e m ，a n a l y z e sp o w e rs u p p l y st e c h n i q u ec r u xw i t h i ns y s t e md e s i g na n dt h e k e y t h ep r o b l e m sa n d r e s o l v em e t h o d st h o s es h o u l dn o t i c ei nt h ed e s i g na n d d e b u g g i n g d e s c r i b ei nd e t a i l t h eh i g hv o l t a g ec o n t r o ls y s t e m sn o to n l yh a v et h er e g u l a rf u n c t i o n o fc o n t r o l l i n ga n dc h e c k i n g ，b u ta l s oc a nt r a c kt h eh i 【g h e s tr u n n i n gp o w e rp r e s s u r e a u t o m a t i c a l l y , e s p e c i a l l yi nt h eo c c a s i o no fc o m p l e xa n dh i 曲p r e c i o u sc o n d i t i o n ；t h e c o m p u t e rc o n t r o l l e rc a ni n c r e a s et h ef a i n tp o w e rd r a m a t i c a l l yb yc o n t r o l l i n gt h es p a r k p r e c i o u s l y a n ds t i l lh a v em a n yp e r f e c tp r o t e c t i o nf u n c t i o n sa s t h es h o r tc i r c u i to f e l e c t r i cf i e l d ，t h eo p e nc i r c u i to fe l e c t r i cf i e l d ，i m b a l a n c ea n dt h eo i lt e m p e r a t u r es u p e r l i m i t a t i o n a n o t h e ri m p o r t a n tc o n s t i t u t i o no ft h et h e s i si sag r e a td e a lo fe l e c t r i cf i e l d e x p e r i m e n t sw h i c hc a nv a l i d a t et h ef e a s i b i l i t yo ft h ee l e c t r o s t a t i cd e - d u s t i n ga n dg i v e m eam o r ed e e pu n d e r s t a n d i n go ft h i st e c h n i c a l k e y w o r d s ：e l e c t r o s t a t i cp r e c i p i t a t o r , s p a r kc o n t r o l ，d u s te f f i c i e n c y , e l e c t r i c f i e l dt r i a l ，p o w e rs u p p l ys y s t e m i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得辽 宁科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料，与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表 示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解辽宁科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 盟途帐型矗矿 辽宁科技大学颂士论文第1 章绪论 1 1 课题背景 第1 章绪论 人类社会步入2 1 世纪，科学技术突飞猛进，经济高速发展。与此同时，社会 环境和自然环境被严重污染，人类面临着温室效应、臭氧层被破坏、酸雨三大全 球性问题，环境污染日趋严重。人类社会实施可持续发展的要求也更趋于严格。 据统计，全世界每年向大气中排放人为污染物的总重量估计为6 亿多吨，其 中粉尘约占其比重的1 6 。煤炭加工、采矿、电力、冶金、炼油、化工、造纸等 工业粉尘都是造成大气污染的主要污染物之一。这些粉尘的大量排放，不仅会危 及人体健康，在某些情况下还会造成大量贵重材料的流失。为了减少工业生产中 粉尘的排放量，保护大气环境，人们采用各种除尘装置来控制污染源的排放对大 气的污染。静电除尘器是各个国家公认的高效除尘装置，投入工业使用1 0 0 年来 一直担负着净化烟气、保护环境的历史使命。当前，我国的经济建设正处于高速 发展时期，社会对环境保护的要求也越来越高。2 0 0 4 年国家环保总局重新修订了 大气污染物排放标准，与国际制定的排放标准正式接轨。这对于电除尘器来说， 面临着巨大的发展机遇和挑战i l 一。 1 2 电除尘技术的国内外历史发展过程 1 2 1 电除尘技术的诞生 自古希腊哲学家撒勒司( t h a l e s ) 发现用动物皮毛摩擦过的琥珀能吸引细小粒子 的静电现象至今已有2 6 0 0 多年，但是真正利用静电除尘原理的设想直到1 9 世纪 初j 形成。第一次成功演示电除尘现象是在1 8 2 4 年，由德国人霍菲尔德( m h o h l f e l d ) 完成。1 9 0 3 年英国物理学家洛奇爵d z ( s i ro l i v e rl o d g e ) 成为世界上获得电除尘技术 专利的第一人。 1 2 2 世界电除尘技术的中早期发展历史 1 9 0 7 年美国加利福尼亚大学化学教授科特雷尔( e g c o t r e l l ) 首次成功地使用静 电除尘器( 简称e s p ) 捕集硫酸烟雾。几年后，他再次把电除尘技术用于捕集水泥生产 过程中排放的粉尘。在当时，他发明的机械整流器成为静电除尘的必要手段。由 辽宁科技大学硕士论文第1 章绪论 于科特雷尔开创了电除尘技术的新局面，后人常把板线式e s p 称为科特雷尔e s p 以示纪念。自此，e s p 迅速在各种工业烟气污染的治理中得到广泛应用，到了2 0 世纪6 0 年代e s p 己遍及各个工业领域。 电除尘的理论研究于1 9 1 1 年由美国人斯特朗( w w s t r o n g ) 率先开始，他对诸 如尘粒荷电、电场形态、除尘效率等方面的问题作了大量的分析，为电除尘的理 论奠定了初步基础。1 9 2 2 年多依奇( d e u t c h ) 在安德森( a n d e r s o n ) 关于电除尘指数定 律的基础上推导出除尘效率的理论公式；1 9 5 0 年怀特( h j w h i t e ) 根据概率理论， 重新导出了多依奇公式，成为目前电除尘理论的基础，在历史上和技术上都有着 重要的价值。1 9 2 3 年罗曼( r o h n a n ) 确立了电场荷电的原理。1 9 3 2 年波德尼尔 ( p a u t h e n i e r ) 和莫罗一哈诺特( m o r e a u - - h a n o t ) 发表了粒子碰撞荷电和扩散荷电的方 程式，到1 9 5 1 年怀特导出了更加精确的扩散荷电方程式。怀特和波德尼尔分别于 1 9 4 8 年和1 9 6 1 年先后发表了捕集高比电阻粉尘时反电晕影响的研究结果。1 9 1 8 年沃尔柯特( w o l c o t t ) ，1 9 3 4 年弗兰克( f r a n d k ) ，1 9 6 0 年彭尼( p e n n e g ) 和克雷格( c r a i g ) 先后对火花放电进行了大量的研究工作。1 9 7 0 年奥格尔斯l l ( o g l e s b y ) 和尼科尔斯 烈i c h o l s ) 提出了包括影响电除尘器性能的理论和经验在内的数学模型，1 9 7 5 年克 奇( g o o c h ) 等人对这一模型作了改进。1 9 8 0 年l e o n a r d 等人提出了静电传输一紊流 扩散模型。到了八十年代中期，我国环保工作者也相续开展了电除尘理论的研究， 提出静电传输一紊流掺混模型，该理论的提出使静电收尘效率的计算更为精确和 接近实际，后来又做了一些简化，但计算和边界条件的处理仍然复杂。如上所述， 各国学者在电除尘理论方面的研究虽己取得很大进展，但仍处在理论滞后于实际 应用的状况，问题还有待解决。 1 2 3 我国电除尘技术的历史发展过程 在西汉末年，我国就有了静电产生吸附作用的文字记载。但将这一现象应用 于工业除尘，则是2 0 世纪初才开始的。在我国，电除尘技术的试验与研究起步更 晚，较广泛的推广应用是在近三十年的时间里。 我国最早使用的一台电除尘器，于1 9 3 6 年安装在本溪工农兵水泥厂，其断面 积为3 6 m 2 。值得一提的是1 9 5 4 年葫芦岛锌厂与北京有色院合作，自主设计和制 造了我国第一台1 2 6 m 2 的四电场卧式e s p ，用于回收有价值的金属材料。紧接着 国内分别完成了立式e s p 和棒帷式e s p 的设计，为我国揭开了研究和应用电除尘 技术的序幕。此后，我国电除尘技术的发展大致经历了以下几个历史阶段0 , 3 1 。 1 起步阶段：1 9 6 5 年我国由原冶金部组织武汉安全环保研究院等单位第一次 2 辽宁科技大学硬士论文第l 章绪论 开展了电除尘技术的试验和研究工作，试验获得了c 型极板的电气性能比鱼鳞型 好的一个重要结论，为以后c 型板取代鱼鳞型极板提供了现实依据。另一个重要 结论是在相同条件下卧式e s p 比立式e s p 效率要高；小立式e s p 与大立式e s p 的驱进速度比值为2 3 。此外，由武汉安全环保研究院和上海泰山耐火材料厂共 同完成了新型极配形式。试验表明极配形式是影响e s p 性能的一个重要因素。进 入6 0 年代，有色冶金系统设计制造了一批板卧式e s p ，其使用温度均达到了3 0 0 以上，消除了板式e s p 能否适用于高温烟气的疑虑。1 9 6 4 年包钢烧结厂机尾烟尘 净化装置选用e s p 后，烧结厂机尾烟尘净化都开始采用e s p 。天津水泥工业设计 研究院从1 9 6 2 年开始研制卧式e s p ，6 0 年代后期，在一台极板面积为1 5 m 2e s p 上试用角钢芒刺放电极后，发现其起晕电压低，电晕电流大，对含尘浓度较大的 窑尾烟尘净化有明显效果。1 9 6 7 年华北电力设计院首次在阿尔巴尼亚科尔察热电 厂设计中采用了e s p 。2 0 世纪6 0 年代以前，国内所用的e s p 配套电源主要从国 外进口。6 0 年代以后，随着半导体器件的问世，国内制造了饱和屯抗器调压的高 压整流电源，自此国内有了电源制造厂。在这个阶段，电除尘技术上的进步突出 表现在采用3 0 0 m m 极间距、单层z 3 8 5 极板和芒刺放电极，饱和电抗器调压的高 压整流设备。至此，卧式e s p 的结构设计逐步趋于成熟，为e s p 的广泛使用打下 了坚实的基础。 2 初级发展阶段：2 0 世纪7 0 年代初，上海冶金矿山机械厂邀请原一机部、冶 金部和建材部9 个设计院、所进行e s p 系列化的联合设计。完成了从3m 2 到6 0 m 2 等共9 种规格的系列产品，脱离原立式e s p 和棒帷式e s p 的轨道向前迈了一大步。 7 0 年代中期，我国电除尘的试验研究工作开始纵向发展，气流分布试验、清灰振 打性能测定、粉尘比电阻测试均已开始进行，对提高e s p 的性能和保障其高效运 行起到了积极作用。由于在实际应用中逐步认识到e s p 并不是一种通用设备，7 0 年代末期各产业部门分别组织力量研制了适用于本行业的电除尘样机及新的系列 产品。1 9 7 5 年底，在湖南水口山矿务局举行了全国第一次电除尘学术交流会。至 此，电除尘的高压供电设备在7 0 年代初就完成了机械整流、电子管高压整流器和 硒堆整流器的更换过程。具有里程碑意义的是1 9 7 4 年1 1 月在郑州铝厂召开的全 国高压整流设备鉴定会。 3 提升阶段：六五期间，国务院环办在冶金部安全环保研究院投资建设了第 一个电除尘试验台，各产业部门也相继投入力量开展电除尘的研究和建立专业制 造厂，同时从瑞典、德国和美国引进了电除尘先进技术。中国环保产业协会电除 尘专业委员会于1 9 8 5 年在武汉成立，次年在哈尔滨召开了第一次学术会议。七。五 期间，国家科技攻关项目中列入了“高效除尘技术的研究”课题，其中包括“宽测距 辽宁科技大学硕士论文第1 章绪论 电除尘器的研究”、“脉冲供电电源及其应用的研究”、“板线匹配和烟气调质的研究” 等3 个子课题。这些课题集国内2 0 多个科研、设计单位、学校和企业之力，历时 5 年圆满完成。宽间距电除尘器的研究结果表明，最佳极距只相对于某种板线匹配 和烟尘条件而存在，通常极间距选择在4 0 0 m m 5 0 0 m m 较为合适；e s p 脉冲供电 电源及其应用的研究结果表明，对于粉尘比电阻为l o “q c m 的e s p ，驱进速度改 善系数为2 。此项目的完成，为我国电源产品增加了新的品种，尤其是研制出窄脉 冲电源，不仅节能效果十分明显，也为日后等离子体脱硫提供了技术条件；e s p 板线匹配及烟气调质的研究也取得丰硕成果，如c h j l 型调质剂的研制及武汉工 业大学静电透镜式电场的研究特别突出。以上课题的研究成果，分别被国家科委 和国家环保总局列为国家科技成果重点推广项目和最佳实用技术。这一时期我国 电除尘技术在深度和广度上都上了一个新台阶。 4 高速发展阶段：上世纪9 0 年代，我国电力工业年均新增发电机组1 6 k m w 以上，其它产业部门也高速发展，从而带动了电除尘技术和市场的发展和繁荣。 这1 0 年间有不少新产品相继问世，如新型立式e s p 、旋转电极e s p 、移动式e s p 、 透镜式e s p 、屋顶e s p 等。与本体设备配套的专业厂也相继开发出多齿芒刺线， 减少“盲区”的b s 型放电线，防结露绝缘子和“9 5 ”高铝绝缘系列的产品。这一时期， 我国对美国g e 公司和l c 公司、日本三菱公司、比利时和前苏联等公司为大型机 组配套的e s p 进行了改造，全部采用国产零部件，均获得预期效果。国内电源生 产企业始终跟踪国际先进技术的发展方向，先后开发了脉冲电源、恒流电源、变 频电源以及各具特点的智能控制电除尘系统。这些产品既保证了国内需求，又向 国外出口。1 9 9 0 年，在北京召开了第四届国际电除尘会议。中国环保产业协会电 除尘专业委员会也相继在柳9 i , i 、西安、杭州、兰州和武汉组织了五次学术交流会。 总体而言，2 0 世纪9 0 年代是我国电除尘技术高速发展的时期，是电除尘学术界极 为活跃的时期，取得了令世人瞩目的成绩。 5 创新阶段：尽管国内电除尘技术取得了长足的进步，但与国际先进技术相比， 有些方面仍存在差距。由于我国是特殊的燃煤大国，不同燃煤烟尘特性千差万别， e s p 吃的是“百家饭”，至今仍有一些特殊燃煤烟气( 如高铝高硅飞灰) 的电除尘技术 没有过关，特别是使用低硫煤带来的飞灰比电阻普遍增高，e s p 效率下降的问题 日益突出，许多经脱硫后的烟尘性质发生变化也给电除尘带来了新课题。针对这 种形势，要求电除尘技术准备新一轮的更新。否则，e s p 将难以在环保产业中继 领风骚 i , 2 1 。 4 辽宁科技大学硬士论文第1 章绪论 1 3 电除尘技术的应用前景 1 近百年的实践证明，电除尘技术优于其他各种除尘技术。它具有除尘效率高、 处理气体温度高，烟气量大、阻力损失少、能耗低、坚固耐用、运行维护简单、 操作方便等优点。在我们创建节约型社会的今天，这种节约型的工艺技术更加显 示出强大的生命力，而且随着科技水平的提高和开发创新成果的不断涌现，未来 的电除尘技术仍将有广阔的应用空间。 2 随着人民生活水平的不断提高，国家还将出台更加严格的排放标准，电除尘 器由于对烟尘特性敏感，对高比电阻粉尘的收集较困难，这是电除尘器面临的新 挑战。对此，我们应认真总结经验和教训，深入细致地工作，充分发挥电除尘技 术的优势，不断发掘电除尘器的潜力。对于特殊难以收集的烟尘，要利用国内外 行之有效的复合技术，根据具体的工程实践，提出可靠可信的性价比，合理地进 行选用。在具体工程中对于特殊难捕集的烟尘，可选用替代电除尘技术的其他除 尘技术，使得除尘效果达到最佳。 3 目前我国电厂的电力装机容量为4 4 亿千瓦，其总量居世界第二位。在这4 4 亿千瓦电力装机容量中，其中火电占3 2 5 亿千瓦，发电量占总发电量的8 2 6 。 火电比重过大的局面，今后还可能进一步加剧。预计“十一五”期间，将有1 4 亿千 瓦以上的火电项目开工。火电比重的增加必将进一步加大烟尘排放给大气环境带 来的压力。根据2 0 0 5 年6 月国家环保总局发稚的( ( 2 0 0 4 年中国环境状况公报， 粉尘颗粒物仍然是影响我国空气质量的重要污染物。2 0 0 4 年烟尘排放量为1 0 9 5 万 吨，工业粉尘排放量为9 0 4 8 万吨。按世界开发银行的测算，2 0 2 0 年我国燃煤污 染导致的损失将达3 9 0 0 亿美元，这将占届时国民经济总产值的1 3 。由此可见， 我国大气污染形势十分严峻。而大气污染仍是以煤烟型污染为主，这将为电除尘 技术的发展提供巨大的机遇l 。特别是发电机组朝大型化的6 0 万、8 0 万、1 0 0 万 千瓦的超临界机组建设，电除尘器无疑是这些大型化设备的主导烟尘治理装置。 随着电力行业的发展，必将带动相关行业如冶金、建材、化工、机械等的发展， 这些都将为电除尘行业提供广阔的发展空间。据统计，2 0 0 4 年我国电除尘器产品 的出口额已超亿元。但做为世界电除尘器的生产大国仍不相匹配。随着我国加入 w t o ，国外的电除尘制造商会通过各种方式进入我国市场。我国电除尘行业应不 断提高技术水平，国内的企业也应该不断参与到国际竞争中去，立足中国，走向 世界，为我国的电除尘行业的发展拓展更大的市场，为大气污染环境的治理、为 人类的环境保护做出更大的贡献1 6 j 。 辽宁科技大学硕士论文第1 章绪论 1 4 电除尘器面临的实际问题 电除尘器是一个复杂的多变量过程控制系统，它的应用仍然面临着很多的实 际问题，具体包括如下内容 7 , 1 7 1 ： ( 1 ) 如何拓宽电除尘器对高浓度、高温、高比电阻烟尘和含有腐蚀性气体等 对象的适应领域； ( 2 ) 减少由于气流的冲刷和振打引起的二次扬尘损失： ( 3 ) 开发配套的监测仪器和检测装置，以及电除尘器智能故障诊断系统； ( 4 ) 改进型材规格和品种，降低主体重量； ( 5 ) 完善计算机选型技术，开发脉冲供电、微机控制、可变电压供电装置等： ( 6 ) 重点开发特殊环境使用的电除尘器，发展各种炉窑用的中小型电除尘器。 为了更好地解决上述问题，我国环保产业发展“十五”规划己将大气污染防治领 域的烟尘治理列为发展重点。今后，电除尘器领域的研究必然向着全面化、数字 化、专业化等方向发展，这也必然对电除尘相关课题的研究提出了更高的要求。 各种相关技术的发展最终都要服务于高效、稳定、节能等几个目标。如何维持电 除尘器的稳定运行，及时发现各种故障并加以保护，调整相关的控制策略，使之 针对不同工况采取多种有效的控制方式，都是电除尘器需要解决和研究的问题。 6 辽宁科技大学硕士论文 第2 章电除尘器的基础理论 第2 章电除尘器的基础理论 2 1 电除尘器的组成与分类 图2 - i 电除尘器结构系统框图 i 电除尘器由除尘本体和高压供电装置两大部分组成舯】，如图2 1 所示。 ( 1 ) 电除尘器本体是实现烟尘净化的场所，通常为钢结构件。目前应用最广 泛的板卧式电除尘器，主要部件有钢支架、底梁、灰斗、壳体、放电极、收尘极、 振打装置和气流分布装置等。其中钢支架、底梁、灰斗属于机械结构件，这里不 做具体说明，如图2 2 所示。 湃诘 窑气 体 图2 - 2 屯除尘器结构示意图 壳体 壳体包括框架、墙板、检修门、楼梯和安全装置等。框架由立柱、大梁等组 7 辽宁科技大学硕士论文第2 章电除尘墨的基础理论 成，是电除尘器的受力体系；墙板是将烟气与外界隔离的主要部件，应能承受电 场运行的负压、风压及温度应力；为保证电除尘器内部的温度高于烟气的露点温 度，在壳体的外侧应考虑敷设保温材料。 电除尘器壳体的作用是引导烟气通过电场、支撑电极和振打设备，形成一个 与外界环境隔离的、独立的收尘空间。壳体的结构应具有足够的刚度和稳定性， 不允许发生改变电极间距相对位置变形的情况。同时，壳体必须封闭严密，漏风 率一般控制在3 以下。 放电极 放电极又称阴极或电晕极，放电线和将放电极固定的部分。其作用是与收尘 极一起形成电场、产生电晕电流。 为了使电除尘器能长期、高效、稳定地运行，对放电极有如下基本要求： 1 ) 安装牢固、可靠、不掉线。一个电场往往有数百根甚至数千根放电线，其 中一根线折断便有可能造成电场短路，使电除尘器的整体工作效率下降，出口排 放浓度增加，从而导致引风机的叶轮磨损。 2 ) 电气性能良好。放电极的形状和尺寸在某种程度上可以改变电流和电场强 度。因此，良好的电气性能通常指在收尘极上的放电电流密度均匀、平均场强高。 3 ) 粘附粉尘少。根据放电形式的不同，放电极主要有点放电、线放电和面放 电三种类型。具体说，市场上现在使用的放电极大致有星形线、锯齿线、芒刺线、 鱼骨针刺线、麻花线和螺旋线等多种形式。实际上，放电极的优劣最终是通过极 配形式表现出来的，极配形式的不同直接决定了电场、流场，并最终影响粉尘的 荷电、沉降和清理效果。 收尘极 收尘极又称阳极或沉淀极，其作用是收集荷电粉尘。在冲击振打时，极板表 面附着的片状粉尘或者团状粉尘脱离板面，落入底部灰斗，从而达到除尘目的。 极板的材质取决于被处理的烟气性质，一般采用普通碳素钢。如果净化有腐蚀的 烟气，可采用不锈钢或在钢板上加涂料。目前市场上使用的极板基本上是4 8 0 c 型， 多采用1 2 m m 2 o m m 的卷板轧制。 极板是电除尘器中的主要部件，对收尘极性能有如下基本要求： 1 ) 极板表面的电场强度分布比较均匀； 2 ) 极板受温度影响的变形小，并具有足够的强度； 3 ) 与放电极之间不易发生放电闪络； 4 ) 板面的振打加速度分布比较均匀； 5 ) 重量尽可能的轻。 8 辽宁科技大学硕士论文第2 章电除尘器的基础理论 振打装置 振打装置的任务是清理粘附在电极上的粉尘，保证电除尘器的正常运行。电 极的清洁与否直接影响电除尘器的除尘效率。因此，振打装置在电除尘器中的作 用绝对不能小视。 振打装置大致可以分为电动机械式、气动式和电磁式三种类型。此外，还有 一些特殊的振打方式，如振动式、弹簧式和凸轮式等，现在普遍很少采用。 1 ) 电动机械式振打装置通常以0 4 k w 左右的电动机为动力，通过减速机带动 振打轴，在振打轴上按同性极距的间隔安装振打锤，一个振打锤对准一排电极， 振打轴旋转一周，每排电极均被振打一次。该振打装置结构简单，维修保养也比 较方便；缺点是振打力和振打周期不能根据需要来任意调整。 2 ) 气动式振打装置是利用压缩空气推动活塞运动，把振动传给电极。振打力 的调节是通过减压阀改变进气压力来实现的。振打周期可以用定时器开关电磁阀， 控制供气量来调节。 3 ) 电磁式振打装置的主要元件是线圈和铁锤。线圈通电时产生吸引力使铁锤 上升，断电时借助弹簧力和振打锤的自重使铁锤落下。 气流分布装置 在电除尘器内部如果气流不均匀，这就意味着电场内存在着高、低速度区， 某些部位存在涡流和死角，该现象的出现会使除尘效率大大下降：此外，高速气 流和涡流会对电除尘器产生冲刷，降低电除尘器的使用寿命，还会产生二次粉尘 飞扬。 常用的气流分布装置包括分布板和导流叶片。分布板又称多孔板，其作用是 通过增加阻力，把分伟板前面大规模的紊流分割开柬，在分布板后面形成小规模 的紊流，而且在短时间内使紊流的强度减弱，使原来方向上不与分御板垂直的紊 流变为垂直。 2 电除尘器的供电装置分为高压电源控制系统和低压控制系统。 高压电源控制系统根据烟气和粉尘的性质，随时调整供给电除尘器的工作电 压，使之能够保持平均电压稍低于火花放电的电压情况下工作。这样，电除尘器 将尽可能获得较高的电晕功率，达到很好的除尘效果。低压控制系统主要用来实 现阴、阳极振打控制；灰斗卸、输灰控制；安全联锁等功能。这部分将在后面的 章节旱进行详细的介绍。 3 电除尘器的分类方法很多，主要有以下几种方式 2 , 9 1 ： ( 1 ) 按清灰方式分为干式、半湿式、湿式电除尘器及雾状粒子捕集器。干式 电除尘器易产生粉尘二次飞扬。湿式电除尘器需进行二次清灰处理。 9 辽宁科技大学硕士论文第2 章电除尘器的基础理论 ( 2 ) 按烟气在电除尘器内的运动方向分为立式和卧式电除尘器。烟气在电除 尘器内自下而上做垂直运动的称为立式电除尘器。烟气在电除尘器内沿水平方向 运动的称为卧式电除尘器。 ( 3 ) 按电除尘器的形式分为管式和板式电除尘器。管式电除尘器主要用于处 理烟气量小的场合。板式电除尘器则应用十分广泛。 ( 4 ) 按收尘板和电晕极的配置分为单区和双区电除尘器。收尘极与电晕极布 置在同一区域内的为单区电除尘器，其应用广泛。收尘极与电晕极布置在两个不 同区域内的为双区电除尘器。 ( 5 ) 按振打方式分为侧部振打和顶部振打电除尘器。振打清灰装置布置在阴 极或阳极的侧部称为侧部振打电除尘器，应用较多的为挠臂锤振打。兰州、诸暨、 西矿、上冶矿等地均采用此结构振打方式。振打清灰装置布置在阴极或阳极的顶 部称为项部振打电除尘器。顶部振打多为美式结构。 4 电除尘器的特点 电除尘器与其它种类除尘器的根本区别，在于实现粒子与烟气分离所需的力 是直接作用在荷电粒子上的库仑力。同其它种类除尘器相比，电除尘器具有以下 几个特点： ( 1 ) 阻力小，耗能少。一台能够处理烟气量为4 0 0 0 0 m 3 h 的电除尘器，它的 一套电源最大功率不超过6 0 k w 。由于烟气进入电除尘器后，既不转弯又不与其它 物体碰撞，加之流速又低，气体阻力很小，压力损失一般为2 0 0 p a ，即使串联4 个 电场也不会超过3 0 0 p a 。与袋式除尘器、旋风除尘器及其它的除尘器相比，电除尘 器的阻力仅仅是它们的1 5 1 8 。 ( 2 ) 收尘效率高。电除尘器的除尘效率从理论上讲可以接近1 0 0 。实际上， 所需的效率应根据具体工况确定，追求过高的除尘效率，在经济上和能源利用上 不一定合理。 ( 3 ) 适用范围广。电除尘器甚至能捕集到0 1 i t m 的细微粉尘，粉尘浓度允许 高达每立方米数十克以上，而且能适应的温度最高可达到4 0 0 。c 。 ( 4 ) 处理烟气量大。随着大型工艺设备的日益增加，要求处理的烟气量也大 为提高。例如，6 0 0 m w 发电机组排出的烟气量在3 0 0 0 0 0 0 m 3 h a 以上，目前已出现 单台处理1 2 0 0 0 0 0 m 3 h 烟气量的电除尘器，这为排放烟气量大的设备的使用提供 了有效保障。 ( 5 ) 自动化程度高，运行安全可靠。电除尘器采用微机控制技术实现全盘自 动化。由于其运动部件少，在j 下常情况下维修工作量小，可以长期稳定的运行。 ( 6 ) 一次性投资比较大。与其它的除尘器相比，电除尘器的结构复杂，消耗 l o 辽宁科技大学硕士论文 第2 章电除尘器的基础理论 钢材多，对电除尘器的制造、安装要求比较高，这使得一次性投入资金较多。 ( 7 ) 除尘运行状况受粉尘比电阻的影响。电场中负载粉尘比电阻在1 0 6 q 啪 1 0 1 0 c m 范围以外，除尘效率会显著下降。 2 2 电除尘器的除尘过程 1 电除尘器基本工作原理 在两个曲率半径相差较大的金属阳极和阴极上，通过高压直流电，维持一个 足以使气体电离的静电场，气体电离后所产生的电子( 阴离子和阳离子) ，吸附在 通过电场的粉尘上，使粉尘获得电荷。这样，荷电极性不同的粉尘在电场力的作 用下，分别向不同极性的极扳运动并沉积在电极上，从而达到粉尘和气体分离的 目的。在电晕区和靠近电晕区很近的一部分荷电粉尘极性与电晕极相反，沉积在 电晕极上。因为电晕区的范围小，所沉积的粉尘较少。而在电晕区以外的粉尘， 绝大部分带有与电晕极极性相同的电荷，沉积在收尘极板上。粉尘的捕集还与诸 多因素有关，如粉尘的比电阻、介电常数和密度、气体的流速、温度和湿度，电 场的伏安特性，以及收尘极的表面状态等 2 2 】。电除尘器基本的工作原理如图2 - 3 ： 图2 3 电除尘基本i ：作原理不意图 2 电除尘器的除尘过程 除尘过程可以分为四个复杂又相互有关的物理过程i o a q ，如图2 - 4 所示。 ( 1 ) 气体的电离 一般每立方厘米的空气中存在着1 0 0 5 0 0 个离子，这与导电金属的自由电子 相比差几百亿倍，所以空气在通常情况下几乎不能导电。但是当气体分子获得一 定的能量后，就可能使气体分子中的电子运动脱离自身，这些电子成为输送电流 的媒介，气体就有了导电的性能。 亚宁科技大学硕士论文 第2 章电除尘器的基础理论 在高压电场中，一个电子沿电力线从负极向正极运动，沿途将与中性原子或 分子碰撞而引起碰撞电离。和气体原子第一次碰撞电离之后，就多出一个自由电 子，这两个电子继续向正极飞行，又会产生碰撞电离。所以，一个电子在高压电 场作用下飞向正极，由于碰撞电离，电子数量将似雪崩增加，这种现象称为“电子 崩”或“雪崩电离”。当空气中的电子急剧增加到一定数量时，就使空气相对导电。 ( 2 ) 粉尘的荷电 粉尘需要荷电才能在电场力的作用下从气流中分离出来。粉尘荷电的大小与 粉尘粒径、电场强度以及粉尘在电场中的停留时间等参数有关。通常认为粉尘荷 电有电场荷电和扩散荷电两种方式。电场荷电也称碰撞荷电，是指在外加电场的 作用下，离子与悬浮于气流中的粉尘碰撞，并粘附在尘粒上使之带电。扩散荷电 是指气体中的离子有热运动，这种运动使离子通过气体扩散，并与电场内的粉尘 碰撞，然后粘附在尘粒上使之带电。在粒子荷电过程中，电场荷电和扩散荷电几 乎是同时存在的。在电除尘器中，对于粗粒子而言以电场荷电为主，扩散荷电的 作用是次要的；对于直径小于o 2 岬的细粉尘而言，电场荷电的饱和值很小，扩 散荷电所占的比例大得多：对于直径为1 岬左右的粉尘粒子，电场荷电和扩散荷 电的作用相近。 ( 3 ) 粉尘的收集 当粉尘荷电后，在电场力的作用下，根据“同性相斥、异性相吸”的原理各自按 照所带电荷的极性，向极性相反的电极运动，并沉积在电极上。由于电除尘器电 极的极性采用的是负电晕，电晕区少量的带正电的粉尘沉积到放电极上，而大量 的带负电的粉尘沉积在收尘极上。 ( 4 ) 振打清灰 通过振打装置打击阴阳极，使积聚在阴阳极上的粉尘成块落入灰斗。这样， 当进入入口处的含尘气体在经历了几个连续的除尘过程后，被净化后的烟气便可 以向大气中排放了。 1 2 辽宁科技大学硕士论文 第2 章电除尘器的基础理论 电除垒嚣屯晕辍 趣岛 莎镪 一蜷瘴 图2 - 4 电除尘器的四个除尘过稃 2 3 论文工作的主要内容 随着数字技术和电子技术的飞跃发展，特别是计算机技术的发展使得电除尘 器供电电源的性能要求有了实现的可能。 器的多项控制精度和功能有了质的飞跃。 微机自动电压控制器的应用，使电除尘 特别是单片机性能的提高与广泛应用， 使得以单片机为控制核心的电除尘高压电源控制系统成为电除尘器供电电源的主 导产品。电除尘器用高压直流电源的控制技术经过早期的分立元件、集成电路， 至今已广泛采用了微机控制技术。微机控制与前两者相比较，有着自动化程度高、 辽宁科技大学硕士论文第2 章电除尘器的基础理论 精度控制方式灵活、多变等优点。但抗干扰能力差是其唯一的缺点，也是致命的 弱点。而电除尘器用高压直流电源的工作环境又是工业控制领域中最恶劣的，高 性能微机电源的成功与否，关键在于其抗干扰能力的强弱。 因此，在设计硬件抗干扰上动脑筋的同时，软件抗干扰措施也必不可少，它 能对前者抵御不了的系统瘫痪进行必要的补救。 本课题的主要工作是以单片机为控制核心来设计的高压电源控制器。其能够 实现常规的检测与控制、火花的检测与自动控制、快速搜索火花斜坡率、间歇供 电节能控制、降压振打和串口通讯功能。 1 高压电源控制器的具体功能和特性如下： ( 1 ) 火花频率控制模式。为了使高压除尘电场有效的运行在火花放电的临界 状态，当电场产生火花放电时，系统能够记忆火花放电点的运行值。同时在产生 火花放电以后，控制器将电压设定在某个火花回落点，然后以新的上升率跟踪上 次记忆火花放电点的运行值，这样可以使电场总是处于除尘的最佳运行状态。 ( 2 ) 极限值控制模式。电除尘器的输入阻抗随着使用年限和规格不同，要求 高压整流设备在运行时不能超过其设定的容量。除高压变压器输出的电压能够受 控以外，输入变压器原边的电流( 一次电流) 、电压( 一次电压) 和高压变压器副边输 出的电流( 二次电流) 、电压( 二次电压) 必须运行在极限值以内。当超出设定的极限 值时，能自动调整至事先设定值的范围内，如果在规定的时间内不能返回到设定 值范围内，控制器则产生报警，主回路进行跳闸保护。 ( 3 ) 控制器具有软、硬件自动复位功能及软起动控制特性。这是为了防止电 除尘器在长时间工作和特殊的工况运行中出现不正常的情况，需要具备自动复位 功能。同时电除尘高电压大功率设备进行升压时，需要以设定的上升率平稳升压。 如果对设备突然进行升压而不进行控制，会造成电压急剧上冲，严重时电压会超 出设备所承受的容量。造成设备的损坏，并对电网造成不良的影响。 ( 4 ) 偏励磁检测及保护。偏励磁是指经可控硅调压后的电流波形产生了半波 丢失，或者正半周和负半周波形出现不对称的现象。偏励磁故障会使直流分量进 入高压变压器，导致高压变压器发热而损坏。因此，控制器当检测到偏励磁故障 时，进行自动跳闸保护。 ( 5 ) 短路和开路保护。当供给电除尘器电场的高压出现短路或开路时，控制 器自动进行跳闸保护。 ( 6 ) 反电晕搜索模式。这是用于粉尘比电阻过高时，引起电场内发生反电晕 现象而进行的一种有效的节能控制方式。 ( 7 ) 脉冲问隙供电模式。在提高电除尘器收尘效率的i i 提下，利用间歇供电 1 4 辽宁科技大学硕士论文第2 章电除尘器的基础理论 的原理实现节省电能的能耗。 ( 8 ) 清灰振打控制功能。控制器装有4 组定时信号输出口，可用于控制电除 尘器的极线、极板清灰振打和其他需要定时控制的装置，并具有降压振打的功能， 通过设定振打运行期间需要降低电量的百分率，控制器在振打时会自动将电量降 低到设定值，以提高电场的振打清灰效果，有效地避免了二次扬尘。 2 除了上述基本功能和控制特性以外，控制器还具有以下特性： ( 1 ) 通过键盘输入设定一次电压、一次电流、二次电压、二次电流的额定值、 极限值及报警值等操作参数，控制器可以将这些数据参数保存，掉电时不会丢失。 ( 2 ) 采用大屏幕l c d 液晶显示屏显示，字符显示清晰。 ( 3 ) 供电设备运行时发生一次欠压、一次过流、二次欠压、二次过流、电场 开路、电场短路、偏励磁等故障时，控制器进行主回路合闸并显示其故障类型。 ( 4 ) 具有r s 2 3 2 串行接口通信功能，可以通过上位机操作单元，显示控制 器工作的全部运行参数，实时有效的进行现场监控和管理操作。 辽宁科技大学硕士论文第3 章电除尘器高压电源控制系统的设计 第3 章电除尘器高压电源控制系统的设计 3 1 电除尘器的高压供电装置 电除尘器除了本体的机械结构外，还需要有高压电源设备和低压控制设备。 高压电源即高压供电机组或高压整流装置。高压电源在控制技术方面，早期是靠 人工控制电压信号和电流信号，即采用自祸变压器或感应调压器束